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摘要 自动生产线由5个工作站组成，可以完成供料、加工、装配、分拣和输送的全部工作过程。主要对自动生产线实验装置中的输送机械手的实现进行剖析。
关键词 PLC；自动生产线；机械手
中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)27-0102-03
Application of Manipulator in Automatic Production Line//Liu Jianhua, Zhang Jingzhi
Abstract The Automatic production line is composed five workstations, each workstation is controlled by a PLC, and can be completed for the materials, processing, assembling, sorting and delivery of the entire work process. This article mainly analyzes the application of the Manipulator in automatic production line.
Key words PLC; automatic production line; manipulator
Author’s address Vocational Technical College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, China 200437
自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统。自动生产线实验装置由供料、加工、装配、分拣和搬运等5个工作站组成，各工作站均设置一台PLC承担其控制任务，用三菱的FX2N PLC实现N:N联网控制，各PLC之间通过RS485串行通信实现互联，构成分布式的控制系统。
自动生产线实验装置的工作过程：当料仓中的待加工工件被推到供料站物料台后，输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往加工单元；加工单元将输送单元的抓取机械手装置送来的待加工工件送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出；装配单元对完成冲压加工的工件进行嵌入装配操作，然后由分拣机构对送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流；最后由搬运单元通过到指定单元的物料台精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下，完成整个生产线的工作。
1 自动生产线中机械手的应用及控制要求
1.1 机械手的结构及作用
1）气动手抓：双作用汽缸由一个二位五通双向电控阀控制，带状态保持功能用于各个工作站抓物搬运。双向电控阀的工作原理类似于双稳态触发器，即输出状态由输入状态决定。
2）双杆气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于控制抓手伸出缩回。
3）回转气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于控制手臂正反向90°旋转，汽缸旋转角度可以在0～180°任意调节，调节通过节流阀下方两颗固定缓冲器进行调整。
4）提升气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于整个机械手的提升和下降。
以上气缸的运行快慢由进气口节流阀调整进气量进行速度调节。
1.2 机械手的应用
在自动生产线实验装置中的输送单元是系统中最为重要、也是承担任务最为繁重的工作单元，该单元中的主要机构是抓取机械手装置。抓取机械手装置是一个能实现四自由度运动（即升降、伸缩、气动手指加紧/松开和沿直轴旋转的四维运动）的工作单元，其工作任务是：精确定位到指定单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点，然后放下。
输送站机械手装置系统在通电后，首先自动执行复位操作，使输送站机械手装置回到原点位置。这时，绿色警示灯以每秒1次的频率闪烁。输送站机械手装置回到原点位置后，复位完成。如果供料站和装配站的料仓均有工件，则绿色警示灯常亮，表示允许启动系统。按下启动按钮，系统启动，绿色和黄色警示灯均常亮。
1.3 机械手的控制要求
当工件推到供料站物料台后，输送站抓取机械手装置应执行抓取供料站工件的操作。抓取动作完成后，步进电机驱动机械手装置移动到加工站物料台的正前方，压到限位，然后把工件放到加工站物料台上。
系统接收到加工完成信号后，输送站机械手应执行抓取已加工工件的操作。抓取动作完成后，步进电机驱动机械手装置移动到装配站物料台的正前方，压到限位，然后把工件放到装配站物料台上。
系统接收到装配完成信号后，输送站机械手应执行抓取已装配的工件对的操作。然后该机械手装置逆时针旋转90°，步进电机驱动机械手装置从装配站向分拣站运送工件对，到达分拣站传送带上方入料口，压到限位后把工件对放下，然后执行返回原点的操作。
2 机械手功能的实现
2.1 机械手的程序编写
按照输送机械手的控制要求，可以依次得到输送机械手的状态流程图如图1所示。在状态转移的过程中，前一个动作向下一个动作转换的条件是靠传感器的检测信号来决定的。此外，由于需要输出驱动步进电机的高速脉冲，PLC应采用晶体管输出型。
机械手的控制所需要的输入输出点数较多，输入信号包括来自按钮/指示灯模块的开关主令信号、各构件的传感器信号等；输出信号主要是输出到机械手装置各电磁阀的控制信号。根据流程图，输送机械手的输入输出端子的分配表如表1所示，输送机械手I/O连接图如图2所示。
2.2 机械手的程序调试
在完成机械手程序的编写后就可以进行程序调试的工作。调试应先在模拟的装置上进行，将编写好的程序在电脑中用厂家提供的编程软件进行编辑，并进行初步的检查，确定输入程序没有语法上的错误后通过通讯线下载到PLC中，然后就可以通电调试。用开关或按钮的通断模拟传感器的输入信号，将指示灯接在输出端，显示PLC输出端有无信号，这样可以判断程序的执行情况，初步检验编写的程序是否符合控制要求，也可以用组态软件开发出相应的仿真界面，对机械手进行仿真。
在模拟装置上调试运行正常后就可以在真实的设备上进行实际的运行调试，包括机械手的安装尺寸、传感器的精度、机械手的动作控制、电磁阀的动作以及程序执行情况等。
3 结束语
作为自动生产线实验装置中输送单元的主要机构——抓取机械手的控制是以可编程序控制器为核心的，具有结构紧凑、性能可靠、操作方便的优点，而且能够克服传统生产线上的噪音大、体积大、接线复杂、运行缺乏稳定性的缺点，通过在教学中的应用，大大激发学生的学习兴趣，增强学生的感性认识，使学生在可编程序控制器、自动控制原理、步进电机的使用等方面的知识得到有机结合，有效地增强教学效果。
参考文献
[1]陈立定.电器控制与可编程控制器的原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004
[2]龚仲华.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2006
[3]杨青杰.三菱FX系列PLC应用系统设计指南[M].北京:机械工业出版社,2008
关键词 PLC；自动生产线；机械手
中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)27-0102-03
Application of Manipulator in Automatic Production Line//Liu Jianhua, Zhang Jingzhi
Abstract The Automatic production line is composed five workstations, each workstation is controlled by a PLC, and can be completed for the materials, processing, assembling, sorting and delivery of the entire work process. This article mainly analyzes the application of the Manipulator in automatic production line.
Key words PLC; automatic production line; manipulator
Author’s address Vocational Technical College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, China 200437
自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统。自动生产线实验装置由供料、加工、装配、分拣和搬运等5个工作站组成，各工作站均设置一台PLC承担其控制任务，用三菱的FX2N PLC实现N:N联网控制，各PLC之间通过RS485串行通信实现互联，构成分布式的控制系统。
自动生产线实验装置的工作过程：当料仓中的待加工工件被推到供料站物料台后，输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往加工单元；加工单元将输送单元的抓取机械手装置送来的待加工工件送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出；装配单元对完成冲压加工的工件进行嵌入装配操作，然后由分拣机构对送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流；最后由搬运单元通过到指定单元的物料台精确定位，并在该物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下，完成整个生产线的工作。
1 自动生产线中机械手的应用及控制要求
1.1 机械手的结构及作用
1）气动手抓：双作用汽缸由一个二位五通双向电控阀控制，带状态保持功能用于各个工作站抓物搬运。双向电控阀的工作原理类似于双稳态触发器，即输出状态由输入状态决定。
2）双杆气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于控制抓手伸出缩回。
3）回转气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于控制手臂正反向90°旋转，汽缸旋转角度可以在0～180°任意调节，调节通过节流阀下方两颗固定缓冲器进行调整。
4）提升气缸：双作用汽缸由一个二位五通单向电控阀控制，用于整个机械手的提升和下降。
以上气缸的运行快慢由进气口节流阀调整进气量进行速度调节。
1.2 机械手的应用
在自动生产线实验装置中的输送单元是系统中最为重要、也是承担任务最为繁重的工作单元，该单元中的主要机构是抓取机械手装置。抓取机械手装置是一个能实现四自由度运动（即升降、伸缩、气动手指加紧/松开和沿直轴旋转的四维运动）的工作单元，其工作任务是：精确定位到指定单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点，然后放下。
输送站机械手装置系统在通电后，首先自动执行复位操作，使输送站机械手装置回到原点位置。这时，绿色警示灯以每秒1次的频率闪烁。输送站机械手装置回到原点位置后，复位完成。如果供料站和装配站的料仓均有工件，则绿色警示灯常亮，表示允许启动系统。按下启动按钮，系统启动，绿色和黄色警示灯均常亮。
1.3 机械手的控制要求
当工件推到供料站物料台后，输送站抓取机械手装置应执行抓取供料站工件的操作。抓取动作完成后，步进电机驱动机械手装置移动到加工站物料台的正前方，压到限位，然后把工件放到加工站物料台上。
系统接收到加工完成信号后，输送站机械手应执行抓取已加工工件的操作。抓取动作完成后，步进电机驱动机械手装置移动到装配站物料台的正前方，压到限位，然后把工件放到装配站物料台上。
系统接收到装配完成信号后，输送站机械手应执行抓取已装配的工件对的操作。然后该机械手装置逆时针旋转90°，步进电机驱动机械手装置从装配站向分拣站运送工件对，到达分拣站传送带上方入料口，压到限位后把工件对放下，然后执行返回原点的操作。
2 机械手功能的实现
2.1 机械手的程序编写
按照输送机械手的控制要求，可以依次得到输送机械手的状态流程图如图1所示。在状态转移的过程中，前一个动作向下一个动作转换的条件是靠传感器的检测信号来决定的。此外，由于需要输出驱动步进电机的高速脉冲，PLC应采用晶体管输出型。
机械手的控制所需要的输入输出点数较多，输入信号包括来自按钮/指示灯模块的开关主令信号、各构件的传感器信号等；输出信号主要是输出到机械手装置各电磁阀的控制信号。根据流程图，输送机械手的输入输出端子的分配表如表1所示，输送机械手I/O连接图如图2所示。
2.2 机械手的程序调试
在完成机械手程序的编写后就可以进行程序调试的工作。调试应先在模拟的装置上进行，将编写好的程序在电脑中用厂家提供的编程软件进行编辑，并进行初步的检查，确定输入程序没有语法上的错误后通过通讯线下载到PLC中，然后就可以通电调试。用开关或按钮的通断模拟传感器的输入信号，将指示灯接在输出端，显示PLC输出端有无信号，这样可以判断程序的执行情况，初步检验编写的程序是否符合控制要求，也可以用组态软件开发出相应的仿真界面，对机械手进行仿真。
在模拟装置上调试运行正常后就可以在真实的设备上进行实际的运行调试，包括机械手的安装尺寸、传感器的精度、机械手的动作控制、电磁阀的动作以及程序执行情况等。
3 结束语
作为自动生产线实验装置中输送单元的主要机构——抓取机械手的控制是以可编程序控制器为核心的，具有结构紧凑、性能可靠、操作方便的优点，而且能够克服传统生产线上的噪音大、体积大、接线复杂、运行缺乏稳定性的缺点，通过在教学中的应用，大大激发学生的学习兴趣，增强学生的感性认识，使学生在可编程序控制器、自动控制原理、步进电机的使用等方面的知识得到有机结合，有效地增强教学效果。
参考文献
[1]陈立定.电器控制与可编程控制器的原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004
[2]龚仲华.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京:人民邮电出版社,2006
[3]杨青杰.三菱FX系列PLC应用系统设计指南[M].北京:机械工业出版社,2008